Pumpning av slam med hög torrsubstanshalt

Transkript

1 Pumpning av slam med hög torrsubstanshalt HUVUDOMRÅDE: Mekanik FÖRFATTARE: Sara Hallgren HANDLEDARE: Leif Svensson JÖNKÖPING December 2017

2 Förord Jag vill tacka Carl Dahlberg från Sweco Environment AB i Jönköping som gav mig möjligheten att få göra detta examensarbete samt väglett mig genom frågor om ämnet. Detta har även min handledare Sofia Andersson gjort som jobbar på Stockholm Vatten och Avfall, där examensarbetet ägde rum. Slutligen vill jag tacka min handledare Leif Svensson vid Tekniska högskolan i Jönköping som väglett mig genom både frågor om det skriva ämnet, samt om rapportskrivning. Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat. Examinator: Jonas Bjarnehäll Handledare: Leif Svensson Omfattning: 15 hp Datum:

3 Abstract Sweden's largest sewage treatment plant, Henrikdal, will be rebuilt to receive twice as much sludge than they can do today. To have the ability to do that, either the level of total solids (TS) must increase or expand the rotary chambers. Off which the second option is to be avoided due to the high costs. The report will answer why the origin, viscosity, shear rate, temperature and TSlevel of the sludge is important to consider when pumping it. Also, the report will show results of how the viscosity will get higher either when the TS-level or the shear rate is increasing as well as the temperature is decreasing. Beyond that, the report will contain source gathering, method, conclusion, discussion and ends with proposals for further research.

4 Sammanfattning Sveriges största avloppsreningsverk, Henriksdal, ska byggas om för att kunna ta emot dubbelt så mycket mer slam än vad det gör idag. För att kunna klara den nya belastningen måste antingen torrsubstanshalten, TS-halten, öka för att minska volymen slam, eller så måste rötkammarna byggas ut. Att bygga ut undviks helst av ekonomiska skäl samt att det försvårar andra framtida utbyggnationer. Rapporten kommer att svara på varför parametrarna ursprung, viskositet, skjuvhastighet, temperatur och TS-halt är viktiga att ta hänsyn till vid pumpning av slam. Rapporten kommer även framföra resultat som visar att slam ökar i viskositet vid låg temperatur, hög skjuvhastighet eller hög TS-halt. Utöver resultatet innehåller rapporten datainsamling, metod, slutsats och diskussion för att sedan avslutas med förslag till vidare forskning.

5 Innehållsförteckning 1 Introduktion BAKGRUND PROBLEMBESKRIVNING SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR AVGRÄNSNINGAR OCH FOKUS Teoretiskt ramverk KOPPLINGAR MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI SLAM Primärslam Överskottslam Blandslam TORRSUBSTANS, TS FÖRTJOCKNING AV SLAMMET Centrifugering i slampiloten Polymertillsättning VISKOSITET, μ Newtonska och icke-newtonska vätskor Metod KOMMUNIKATION OCH KORT BESKRIVNING AV ANLÄGGNINGEN PLANERING LITTERATURSTUDIE Kvantitativa metoden Kvalitativa metoden EMPIRI PROVTAGNING FÖRBEHANDLING AV PROVER ANALYSER... 15

6 3.7.1 Temperatur TS-halt ph Viskositet Resultat RESULTATSAMMANSTÄLLNING TEMPERATURENS INVERKAN PÅ VISKOSITET PARAMETRAR SOM PÅVERKAR SLAMMETS PUMPBARHET Ursprung ph-värde Beteende och skjuvhastighet TS-haltens inverkan på viskositeten Diskussion och slutsatser VILKEN FORMEL BÖR ANVÄNDAS FÖR VISKOSITETSBERÄKNING? VAD ÄR DEN MEST EFFEKTIVA TEMPERATUREN ATT PUMPA SLAMMET I? VILKA PARAMETRAR ÄR VIKTIGA ATT TA HÄNSYN TILL UNDER PUMPNING AV SLAM? URSPRUNG PH-VÄRDE BETEENDE OCH SKJUVHASTIGHET TS-HALT TS-HALT OCH TEMPERATUR POLYMER Slutsats Förslag till vidare forskning ETT OPTIMALT FLÖDE ATT PUMPA SLAM MED HÖG TS VISKOSITETSGIVARE I RÖTKAMMAROMRÖRAREN HUR SKA SLAMMET HÅLLA VÄRMEN VID TRANSPORT I LÄNGRE RÖRSTRÄCKOR? HUR MYCKET PÅVERKAR POLYMER FRAMKOMLIGHETEN AV SLAMMET I RÖRSYSTEMEN? 30 8 Referenser... 31

7 1 Introduktion Examensarbetet har utförts tillsammans med Sweco Environment AB och Stockholm Vatten och Avfall. Det praktiska arbetet utfördes på Hammarby Sjöstadverk 1 som ligger beläget vid Henriksdal i Stockholm. Hammarby Sjöstadverk är en forskningsanläggning och där pågår det olika pilotprojekt i syfte till forskning och utveckling. Det är till ett av dessa pilotprojekt som examensarbetet är kopplat för att analysera pumpegenskaperna hos avloppsslam genom mätning av slammets viskositet, TS-halt, tryck och temperatur. 1.1 Bakgrund I dagsläget driver Stockholm Vatten och Avfall två avloppsreningsverk, Bromma och Henriksdal, som tillsammans renar avlopp från omkring 1,4 miljoner personer. Båda reningsverken har nått sin dimensionerade kapacitet och ombyggnation eller utbyggnation krävs för att klara avloppsreningen i Stockholm i framtiden. Stockholms stadsbefolkning växer med över en procent per år [1]. Detta gör att behovet av nya bostäder ökar. Istället för att göra kostsamma utbyggnationer av Bromma och Henriksdals reningsverk har Stockholm Stad beslutat att lägga ned Brommas reningsverk för att bygga bostäder på den marken. Avloppsvattnet som förut gick till Bromma leds istället till Henriksdal som byggs om och ut för att klara den ökade belastningen. Idag är Henriksdal belastat med personekvivalenter 2, pe, och i framtiden ska det belastas med pe. [2] 1 Hammarby Sjöstadsverk tar inkommande avloppsvatten från Henriksdal till pågående projekt i syfte till att förbereda främst Henriksdal för kommande problem, lösningar och vägledningar. 2 En personekvivalent är hur mycket syre som går åt för att bryta ned organiskt material från en människa [35]. 1

8 1.2 Problembeskrivning Henriksdals avloppsreningsverk förväntas ta emot dubbelt så mycket avloppsvatten på grund av den ökade befolkningen och därför kommer den totala slammängden att fördubblas [2]. För att förhindra en tillbyggnation av rötkamrarna 3 måste TS-halten fördubblas eftersom att rötkamrarna annars behöver hantera den dubbla mängden slam. Om TS-halten ökar så minskar volymen vatten och därmed den totala slammängden [3]. I praktiken kommer det däremot att uppstå problem då slammet förtjockas till en hög TS-halt på grund av att friktionskraften ökar. Viskositeten ökar nämligen med TS-halten och därmed ökar även trycket i rören [4], [5]. För att förhindra igensättningsproblematik kan möjligen slammet förvärmas för att göra det mer lättflytande. Slammet blir mer lättflytande när viskositeten minskar [4], [5]. Inkommande avloppsvatten är mellan tio och arton grader beroende på vilken årstid det är och för att mikroorganismerna ska kunna växa i rötningsprocessen måste slammet förvärmas till minst 37 grader [6]. För att kunna planera om det behövs ytterligare rötkammarvolym, förutse driftproblem och för att kunna testa om det går att pumpa slammet med en TShalt på sju procent, har Stockholm Vatten och Avfall byggt en pilotanläggning ihop med Svenska miljöinstitutet, IVL. Pilotprojektet innefattar tester på pumpbarheten för slam, hur det förändras då temperatur och TS-halt förändras. Genom att systematiskt förändra dessa parametrar bör det gå att få en bild av vad som kommer hända i den verkliga processen. Detta ses även kunna vara användbar information för alla reningsverk och liknande industrier. [2] Figur 1 Ett flödesschema av slampiloten på Hammarby Sjöstadverk [7] 3 I en rötkammare sker det biologisk rötning i en syrefri miljö av exempelvis slam. När det organiska materialet rötas så frigörs det ämnen som bildar biogas. [45] 2

9 1.3 Syfte och frågeställningar Syftet är att utreda vilka parametrar som är viktiga att beakta när slam pumpas i en hög TS-halt, samt hitta ett matematiskt uttryck för viskositet som stämmer med försöksdata. Vilket matematiskt uttryck bör användas vid beräkning av viskositet? Vad är en effektiv temperatur att pumpa slam med hög TS-halt i? Vilka parametrar är viktiga att ta hänsyn till under pumpning av slam? 3

10 1.4 Avgränsningar och fokus Examensarbetet utfördes på ett laboratorium på området vid pilotanläggningen på Hammarby Sjöstadsverk. Alla slamprover togs på samma avloppsvatten som Henriksdals avloppsreningsverk får in och det innefattar primärslam och blandslam. Det lades fokus på att ta prover på TS-halt, viskositet, temperatur och ph-värde på grund av att det var de parametrarna som hade analysutrustning tillgängligt. Rotationsviskositetsmätaren användes för viskositetsanalyserna fungerade för TShalter upp till sju procent och därmed avgränsas examensarbetet upp till denna halt. 4

11 2 Teoretiskt ramverk 2.1 Kopplingar mellan frågeställningar och teori Teorierna som beskrivs nedan har kopplingar till empirin och gav en bas till både den teoretiska och den analytiska delen av examensarbetet. Vilket matematiskt uttryck bör användas vid beräkning av viskositet? Vad är en effektiv temperatur att pumpa slam med hög TS-halt i? Vilka parametrar är viktiga att ta hänsyn till under pumpning av slam? Viskositet Slam Torrsubstans, TS Newtoniska/ickenewtoniska vätskor Torrsubstans, TS Viskositet Förtjockning av slammet Figur 2 Kopplingar mellan frågeställningar och teori 5

12 2.2 Slam De typerna av slam som beskrivs nedan är de slam som användes och analyserades under examensarbetet Primärslam I ett av reningsprocessens steg i ett avloppsreningsverk skiljs avloppsvattnet från tunga partiklar. Under den processen passerar vattnet en eller flera bassänger med ett långsamt flöde där större partiklar hinner sjunka till botten och det är dessa partiklar som blir primärslam [7] på Hammarby Sjöstadsverk. Där mättes primärslammets TS-halt till cirka två och en halv procent, läs mer om TS i avsnitt Överskottslam Överskottslam är överskott av biologiskt slam (primärslam). Bakterierna i slammet förökar sig i den biologiska reningen och för att hålla en jämn halt i det reningssteget så pumpas överskottsslammet ut och går in i reningsprocessen igen Blandslam Blandslam består av slamrester som innefattar både primärslam och överskottslamslam. TS-halten är ofta mellan en och två procent, vilket även mättes på Hammarby Sjöstadverk. [8] 6

13 2.3 Torrsubstans, TS Torrsubstans är mängden fast material när allt vatten har avdunstats [9]. För att öka torrsubstansen kan slammet avvattnas genom att använda mekanisk förtjockning eller tillsätta polymer tillsammans med mekanisk förtjockning, mer information hittas i avsnitt 2.4. Torrsubstanshalten förkortas TS-halt och beräknas i procent av den vikt i gram som slammet väger före och efter avvattning, läs även avsnitt TS % = Torrsubstans form Blötslam form där, Blötslam: Antingen primärslam, överskottsslam eller blandslam Torrsubstans: Avvattnat blötslam Form: Enbart en tom folieform Figur 2 TS-prov på överskottsslam (bild från egen analys) 7

14 2.4 Förtjockning av slammet Förtjockning innebär att slammet avvattnas. I avsnitten nedan beskrivs de förtjockningsmetoder som användes under examensarbetet. Figur 4 Slampilotens centrifug på Hammarby Sjöstadsverk Centrifugering i slampiloten Centrifugering innebär att slammet trycks ut mot centrifugens kapillärväggar och vattnet kan därför rinna ned mot botten av centrifugen och bli rejektvatten som är det vatten som avvattnas under förtjockningsprocessen [10], [11], se figur 6. Figur 5 Centrifug [21] 8

15 2.4.2 Polymertillsättning Definitionen av den typ av polymer som kommer att användas i denna rapport är avvattningspolymer och består av ett ämne i förgrenade kedjor. Dessa kedjor innehåller molekyler som är antingen positivt eller negativt laddade vilket gör att polymeren kan binda sig till olika typer av organiska ämnen. [9] När polymer tillsätts och binder sig med slam bildas det flockar av det organiska ämnet, se figur 3, [12]. Då polymer tillsätts i kombination med en mekanisk avvattningsmetod, exempelvis i en centrifug, se figur 4, kan slammet förtjockas, bindas och hållas samman bättre. Anledningen till detta är att centrifugen kan avvattna slammet medan polymeren binder ihop det organiska materialet [13], [12]. I slampiloten förtjockades slammet med hjälp av polymer till ungefär fem procent. Troligen påverkar polymeren viskositeten men det var svårt att hitta information om detta och teorin grundar sig därför på egna resultat från examensarbetet. Figur 6 Slamflockar som polymer bilder med celler och cellbundet vatten Figur 7 Centrifug [38] 9

16 2.5 Viskositet, μ Hur trögflytande en vätska är mäts i viskositet och har SI-enheten Pascalsekunder [Pa*s]. I rapporten hängavs viskositeten med beteckningen μ. Om vätskan har hög viskositet betyder det att vätskan är mer trögflytande än en vätska med låg viskositet. Ju högre viskositet en vätska har, ju mer friktion innehåller vätskan och därför flyter vätskan mer trögt fram. Det sägs då att vätskan skjuvas mot en yta och där uppstår då en skjuvspänning. [4], [14]. Det är ett antal faktorer som påverkar viskositeten i en vätska. Därför bör vätskans reologi, ett annat ord är flödeslära, ses över och följande parametrar beskriver denna reologi [4]. Ursprung. Exempel: Primärslam eller blandslam. Innehåll: Exempel: Vätskan kan innehålla flera ämnen och ibland bara ett. Överskottslam är relativt homogent medan primärslammet kan variera från prov till prov. ph-värde. Exempel: Surt, basiskt eller neutralt. Beteende. Exempel: Om vätskan klumpar sig, geléaktigt rör sig eller om det koagulerar. Skjuvhastigheten. Viskositeten kan antingen öka, minska eller vara opåverkad av skjuvhastigheten. En för hög hastighet kan bidra till att det blir ett turbulent flöde i väskan och viskositeten ökar [14]. TS-halt. Vätskans torrsubstans i procent. I de flest fall ökar viskositeten med TS-halten [5], [15]. Temperatur. Vätskans temperatur. I de flesta fall minskar viskositeten då temperaturen ökar [5], [15] Newtonska och icke-newtonska vätskor En vätska beter sig ibland på olika sätt när den utsätts för en skjuvspänning men ibland är vätskans beteende konstant. Skillnaden mellan dessa vätskor beskrivs i avsnitten nedan Newtonska vätskor Newtonska vätskor är vätskor som har en konstant viskositet trots att den utsätts för olika skjuvhastigheter [4]. En sådan vätska är enklare att mäta eftersom viskositeten inte kommer förändras trots att skjuvspänningen gör det. Formeln för att beräkna viskositeten i en newtonsk vätska är följande, μ = K v, där K är ett konsistensindex vilket är det avlästa värdet (skjuvspänningen) på rotationsviskositetsmätaren multiplicerat med spindelfaktorn, se avsnitt 3.7.4, och v är skjuvhastigheten [4]. 10

17 Icke-newtonska vätskor Icke-newtonska vätskor är vätskor vars viskositet antingen ökar eller minskar i förhållande till skjuvhastigheten [16]. För att kunna beräkna viskositeten i en ickenewtonsk vätska måste ett index n, Power law index, införas i formeln. Detta index beskriver vätskans beteende när vätskan utsätts för en skjuvspänning, exempelvis att hastigheten ökar på rotationspendeln i en rotationsviskositetsmätare, se avsnitt När hastigheten förändras kan vätskans viskositet öka, minska eller hållas konstant. Om vätskans viskositet hålls konstant är vätskan newtonsk och värdet på n är ett och behövs därför inte tas med i beräkningarna. Om vätskans viskositet minskar gäller uttrycket n < 1 och för det motsatta gäller n > 1 [4]. Power law index beräknas enligt följande formel, n = 0,5 log ( s max s min ), där s max s min är kvoten av skjuvspänningen i den högsta och lägsta skjuvhastigheten [17]. Tillsammans med formeln för newtonska vätskor och Power law index blir formeln för icke-newtonska vätskor följande, μ = K v n. 11

18 3 Metod 3.1 Kommunikation och kort beskrivning av anläggningen Kommunikationen under examensarbetet mellan elev och handledare har skett via Skypemöten, telefonsamtal och mail. Eleven har haft en handledare på plats i Stockholm vid piloten och huvudhandledare från Sweco Environment AB på plats i Jönköping och en ytterligare handledare från högskolan i Jönköping. Anläggningen som examensarbetet utfördes på, Hammarby Sjöstadsverk, ligger belägen vid Sveriges största avloppsreningsverk Henriksdals. Hammarby Sjöstadsverk har i princip allt som ett riktigt avloppsreningsverk har, fast i miniformat. Anläggningen innehåller vissa innovationer, exempelvis membranrening, som införs på Henriksdals avloppsreningsverk men som testas och analyseras på Hammarby Sjöstadsverk för att förebygga fel eller se utvecklingsmöjligheter. [18] Ett av projekten som utförs till på Hammarby Sjöstadsverk är, som tidigare nämnt, slampiloten, vilken examensarbetet är kopplat till, se flödesschemat i figur 1. Slampiloten består av ett inlopp, utlopp, mekanisk förtjockning, med polymertillsats, värmning, kylning, rötning och avvattning [19]. Tanken var att förtjocka slammet i piloten och därefter mäta trycket i rören vid pumpning av förtjockat slam till rötkammaren och se hur TS-halten påverkade trycket. Denna del fungerade tyvärr inte under examensarbetets tidsperiod och uteslöts därför från examensarbetet. Förtjockningen av slammet kunde dock ske mekaniskt i labbet och därför kunde temperatur, viskositet och ph-värde fortfarande analyseras. 3.2 Planering En försöksplan utformades anpassad till de tester som kunde utföras utan slampiloten eftersom att den inte fungerade i början, dvs mätning av viskositet, temperatur och ph-värde på primärslam, överskottsslam och blandslam. Försöksplanen beskrev hur och när prover skulle tas på de olika slamtyperna, vilka TS-halter proverna skulle förtjockas till, vilka temperaturer viskositetsmätningarna skulle utföras vid samt hur försöken skulle dokumenteras. 12

19 3.3 Litteraturstudie Kvantitativa metoden Den kvantitativa metoden innebär tolkning av data i form av analytiska värden [20], exempelvis siffror, som till detta examensarbete hittades i forskningsrapporter om viskositet, samt böcker där viskositet var både beskriven och beräknad. Under examensarbetets början var det svårt att veta om viskositetsmätaren fungerade eller om metoden som användes var korrekt och därför behövdes analysresultaten jämföras med referensvärden. Dessa referensvärden skulle kunnat komma från en annan viskositetsmätare men efter att ha tagit kontakt med ett flertal universitet och företag som kan tänkas ha en sådan avbröts det sökandet utan resultat för att det tog för mycket tid. Det gick heller inte att bygga en egen viskositetsmätare då slam är en icke-newtonsk vätska, se avsnitt Kvalitativa metoden Denna metod innebär att skapa djupare förståelse om ämnet i form av bland annat djupare forskning, deltaganden eller intervjuer [20]. Denna metod användes då mailkontakt fördes med huvudhandledaren från Sweco Environment AB. Det var under denna konversation som bakgrundinformationen och grundläggande information om ämnet samlades in. Den kvalitativa metoden användes även under deltaganden på möten om olika projekt på Hammarby Sjöstadsverk. Ett av mötena var angående slampiloten som är det projekt vilket examensarbetet är kopplat till. Ett annat möte var angående ett annat pilotprojekt som ansågs vara relevant att delta på för att skapa förståelse för begrepp och sammanhang. Den kvalitativa metoden användes alltifrån hur TS-halt beräknas till att undersöka hur tryck påverkas av olika viskositets- och temperaturvärden genom böcker, rapporter och intervjuer. 3.4 Empiri En empirisk metod innebär studier av den verkliga processen. Den empiriska metoden användes vid genomförandet av viskositetsanalyserna. Dessa analyser genomfördes på slam i olika TS-halter och temperaturer. 3.5 Provtagning Prover på primärslammet togs ut som ett stickprov via en kran under försedimenteringen i samband med utpumpning. Ungefär 30 liter togs ut vid varje provtagningstillfälle, sen blandades rördes det om i en stor hink. Därefter togs 300 ml prov ut som användes till TS-prov och viskositetsmätning. Prover på överskottsslam togs ut vid en annan kran. Detta prov togs ut i cirka tio liter i en hink som sedan rördes om och därefter togs ett slamprov på 300 ml ut som användes på samma sätt som primärslammet. 13

20 Blandslamsprov tog ut på ett annorlunda sätt. Detta prov kom ifrån slampiloten och innehöll både primärslam och överskottsslam. Detta prov togs ut genom att öppna en kram i slampilotensrörsystem efter att slammet centrifugerats. Det var även detta prov som tillsattes med polymer i samband med centrifugeringen. Ungefär en liter slamprov togs ut och användes sedan för TS-prov och viskositetsmätning. Det var ingen specifik anledning till varför proverna togs ut i olika mängder, det var beroende av vilka förutsättningar som fanns tillgängliga. 3.6 Förbehandling av prover Under de första veckorna av examensarbetet fungerade inte slampilotens centrifug eller polymertillsättning. För att förtjocka slammet till en önskad TS-halt användes centrifugen i Hammarby Sjöstadsverks labb. I denna centrifug fylldes sex stycken provrör med slam och sedan ställdes hastighet och tid för centrifugeringen in. När centrifugeringen var klar har slampartiklarna med centrifugalkraften tryckts mot botten och skilts från vattnet som nu ligger ovanför slampartiklarna närmast provrörsöppningen vilket gör det enkelt att hälla ut vattnet. Med denna metod förtjockades slammet till sju procent. Figur 8 Labbets centrifug 14

21 3.7 Analyser Temperatur Val av temperatur grundar sig i vad Henriksdals anläggning kommer att ha för kapacitet. Henriksdals avloppsreningsverk kommer att ha en maxkapacitet omkring 40 grader där inkommande avloppsvatten är omkring tio grader. Ett intervall mellan tio och fyrtio grader valdes därför utifrån detta för att se vad som händer med slammets viskositet i de lägre och högre temperaturerna. Innan varje viskositetsanalys användes en digital termometer föra att mäta temperaturen. För att skapa en struktur i resultaten värmdes slammet antingen upp eller kyldes ned till exakt tio, tjugo, trettio eller fyrtio grader. Slammet började att kylas ned i en kyl i labbet på anläggningen och värmdes sedan upp i ett värmebad när proverna skulle tas i högre temperaturer TS-halt När eller innan slammet hade förtjockats användes cirka 60 ml av det slammet till att göra TS-prov. Det gjordes tre prover på ett slam för att få bättre kvalitet på resultaten. För att göra ett TS-prov användes tre folieformar som först vägdes tomma och därefter fylldes varje form med 20 ml blötslam och vägdes igen. Därefter lämnades de tre proverna i en 105 grader varm ugn under natten och vägdes därefter igen. När alla vägningar var gjorda beräknades TS-halten enligt formeln nedan och som beskrevs i avsnitt 2.3. TS % = Torrsubstans form Blötslam form Räkneexempel Formen vägs till 0,7327 gram Formen fylls med 20 ml primärslam Formen och blötslammet vägs och väger 22,7345 gram Formen och blötslammet läggs in i en 105 grader varm ugn under natten Formen och torrsubstansen vägs nästa dag och väger 1,6754 gram Insättning i ovanstående formel ger: ph TS % = 1,6754 0,7327 = 0,9427 = 0, ,3%. 22,7345 0, ,0018 Innan viskositetsanalyserna gjordes mättes ph-värdet i alla temperaturer på slammet. Detta gjordes med en digital ph-mätare. 15

22 3.7.4 Viskositet Viskositet analyserades med en rotationsviskositetsmätare. Den som användes under examensarbetet var en Brookfield Viscometer LVT, se figur 10. När en sådan används snurrar ett verktyg, en så kallad spindel i en vätska, se figur 9. Storleken på spindeln väljs ut med hjälp av rotationsviskositetsmätarens manual där rekommendationer på spindlarna till olika motstånd står skrivna. Spindeln som användes vid TS-halter mellan två och fyra procent heter LV-3 och spindel LV-4 användes vid TS-halter mellan fyra och sju procent. Varje spindel hade en tillhörande faktor som stod given i manualen till rotationsviskositetsmätaren, se figur 10. Denna faktor användes sedan i formeln för viskositet, se avsnitt 2.5.1, och är även kopplad till hastigheten, varv per minut, som spindeln snurrar i. När spindelns hastighet ställs in på rotationsviskositetsmätaren börjar den att snurra och då uppstår en skjuvspänning mellan vätskan och spindeln. Det motstånd som uppstår är kopplat till hur trögflytande, viskös, vätskan är [21]. Innan en viskositetsanalys gjordes antecknades namnet på slamprovet, datum, TShalt, ph-värde, samt temperatur. Därefter applicerades den valda spindeln på rotationsviskositetsmätaren och stoppades ned i en burk med cirka 150 ml slam. Figur 9 Spindlar till rotationsviskosmetern och en tabell för spindelfaktorn Figur 10 Rotationsviskosmeter 16

23 Räkneexempel 1. Mät upp ca 150 ml i en cylinderformad behållare 2. Läs i manualen vilken spindel som rekommenderas utifrån hur trögflytande vätskan kan tänkas vara, byt om den inte fungerar 3. Sänk ned spindeln i vätskan till given markering (detta beskrivs i manualen) 4. Välj den lägsta hastigheten på rotationsviskositetsmätaren och låt spindeln snurra någon minut tills mätaren stannar. Slå då av rotationsviskositetsmätaren på angivet sätt i manualen 5. Anteckna vad mätaren visar 6. Höj hastigheten ett steg och slå på rotationsviskosmetern igen 7. Kör tills mätaren stannar 8. Höj hastigheten ett steg till och upprepa tills, om möjligt, högsta hastigheten 9. Anteckna dina värden som i tabellen nedan, Prov: 1, Blandslam ph: 7 T: 10C TS: 5,5% Spindel: LV-3, HASTIGHET, V AVLÄST VÄRDE, S SPINDELFAKTOR Figur 11 Prov 1, skjuvhastighet, skjuvspänning och spindelfaktor 17

24 10. Beräkna nu K-värdet på alla observerade hastigheter enligt följande: (Avläst värde spindelfaktorn) (12 400) K = K = = 4, K1 5 K2 3 K3 2 K4 1 K5 1 Figur 12 Konsistensindex 11. Beräkna nu n -värdet: n = 0,5 log ( s max ) n = 0,5 log ( 26 ) = 0,17 s min Sätt sedan in allt i formeln för viskositet och beräkna för varje hastighet (notera att resultaten för en newtonsk vätska hade varit ett och samma oavsett hastighet): μ = K v n μ 1 = 4,8 3 0,17 = 5,8 Pa*s μ 1 5,8 μ 2 4,6 μ 3 2,9 μ 4 1,8 μ 5 1,0 Figur 13 Viskositet 13. Sista steget är att beräkna medelvärdet av alla viskositetsvärden: μ avg = 5,8+4,6+2,9+1,8+1,0 5 = 3,2 Pa*s 18

25 4 Resultat 4.1 Resultatsammanställning Namn Prov TS Polymer Temp ph Viskositet BS2 Primärslam 7% Nej 20 6,7 20,4 BS2 Primärslam 7% Nej 30 6,7 18,9 BS2 Primärslam 7% Nej 40 6,7 14,1 BS22 Primärslam 2% Nej 40 6,5 2,9 BS Överskottslam 7% Nej BS Överskottslam 7% Nej BS Överskottslam 7% Nej FBS1 Blandslam 3,6% Ja ,2 FBS1 Blandslam 3,6% Ja ,3 FBS1 Blandslam 3,6% Ja FBS3 Blandslam 3,7% Ja 10 7,5 3 FBS3 Blandslam 3,7% Ja 20 7,5 2,3 FBS2 Blandslam 4% Ja 10 7,8 3 FBS2 Blandslam 4% Ja 30 7,8 2 FBS2 Blandslam 4% Ja 40 7,8 1,2 FS Blandslam 5,4% Ja 10 6,5 26 FS Blandslam 5,4% Ja 30 6,5 16 FS Blandslam 5,4% Ja 40 6,5 15 Figur 14 Resultatsammalställning Det finns fler resultat som valdes att inte tas med då de var missvisande eftersom att de togs i början av examensarbetet då utrustningen testkördes och det var svårt att veta hur den skulle användas. Viskositetsresultaten visar medelvärdet från viskositetsanalysens resultat i de olika hastigheterna. 19

26 Temperatur (C) Temperatur (C) 4.2 Temperaturens inverkan på viskositet Samtliga fyra nedanstående diagram visar slamprov som resulterar i att viskositeten minskar då temperaturen ökar. Det finns inget resultat som visar vilken temperatur som är mest optimal men istället vilka temperaturer som är bättre. I diagram 13 syns det tydligt att viskositeten avtar när temperaturen närmar sig 30 grader FBS1: Blandslam med polymer TS 3,6% 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Viskositet (Pa*s) Figur 15 Blandslam TS-halt 3,6% FBS2: Blandslam med polymer TS 4% 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Viskositet (Pa*s) Figur 16 Blandslam TS-hat 4% 20

27 Temperatur (C) BS2: Primärslam TS 7% Viskositet (Pa*s) Figur 17 Primärslam TS-halt 7% 21

28 TS-halt 4.3 Parametrar som påverkar slammets pumpbarhet Ursprung Viskositeten resulterade olika beroende på om det var primärslam, överskottsslam eller blandslam. Däremot visade alla prov på att TS-halten och temperaturen påverkade slammet på samma sätt, exempelvis att en lägre temperatur ökade viskositeten. 3 2,5 Slamprov 2 1,5 1 0, Figur 18 Blandslam (1) och primärslammets (2) viskositetsskillnader ph-värde Alla slamprov hade ett ph-värde mellan sex och åtta, vilket är neutralt. Detta resultat visade sig oavsett temperatur, viskositet, TS-halt eller om slammet innehöll polymer. 10 ph-värden BS2 BS2 FBS3 BS FBS2 FBS2 FBS1 Figur 19 ph-värden på olika slamprov 22

29 Hastighet (rpm) Hastighet (rpm) Hastighet (rpm) Beteende och skjuvhastighet En vätska som är icke-newtonsk, vilket diagrammen nedan påvisar att slam är, förändras i viskositet då hastigheten som vätskan flödar i ändras [5]. Om vätskan hade varit newtonsk hade diagrammet uppvisat en rak horisontell linje. Blandslam - 4% - 10C Viskositet (Pa*s) Figur 20 Blandslam TS-halt 4% Blandslam med polymer - 5,45% - 10C Viskositet (Pa*s) Figur 21 Blandslam TS-halt 5.45% Överskottsslam - 7% - 10C Viskositet (Pa*s) Figur 22 Blandslam TS-halt 7% 23

30 24

31 Viskositet (Pa*s) TS-haltens inverkan på viskositeten Provresultaten visar att viskositeten stiger ju högre TS-halten är. Det är påtagligt högre viskositet i ett prov med TS-halten 5,4% i jämförelse med ett slamprov med TS-halten 3,6%. I nedanstående diagram har alla prov temperaturen 30 grader och samtliga prov innehåller polymer. Blandslam: olika viskositeter i 30 grader FBS1 (3,6%) FBS2 (4%) FS (5,4%) Slamprov Figur 23 Blandslam i olika viskositet 25

32 5 Diskussion och slutsatser 5.1 Vilken formel bör användas för viskositetsberäkning? Analyserna som gjordes under examensarbetet resulterade i att viskositeten minskar med ökad skjuvhastighet, se avsnitt Detta innebär att slam är en icke-newtonsk vätska, se avsnitt , och behöver då Power law index för att beskriva det flödesbeteendet. Power law index ska vara mindre än ett eftersom att viskositeten avtar med ökad skjuvhastighet. Värdet på Power law index bestäms med utslaget på rotationsviskositeten i samband högsta och lägsta hastigheten. μ = K v n, där n beräknas enligt, n = 0,5 log ( s max s min ). 5.2 Vad är den mest effektiva temperaturen att pumpa slammet i? Det finns inget resultat som visar i vilken temperatur som slammet är mest effektiv att pumpa i, däremot talar allt för att ett slam i lägre temperatur har sämre pumpkapacitet än slam i högre temperatur. I tidigare avsnitt beskrivs detta bero på att en högre temperatur visats minska viskositeten och minskar därmed belastningen på rör- och pumpsystemen. Slammets temperatur bör åtminstonde vara högre än 20 grader för att underlätta slampumpningen eftersom att det var i temperaturer omkring 30 grader som viskositeten blev synligt lägre än vad den var i de andra. En annan aspekt angående temperatur och slam är att inkommande avloppsvatten under vinterhalvåret har en lägre temperatur på grund av utomhustemperaturen [9], [2]. För att bibehålla den varma temperaturen kan förslagsvis värmeslingor eller isolerade rörsystem användas. Värmeslingor skulle kunna ta energin som behövs från eventuella energispill från avloppsreningsverket och bidra till att få temperaturen styrbar. 26

33 5.3 Vilka parametrar är viktiga att ta hänsyn till under pumpning av slam? Följande parametrar har visats kunna påverka slammets viskositet och därmed slammets pumpbarhet [2]. 5.4 Ursprung Det är inte avgörande om ursprunget är bland- eller primärslam utan vad slammet innehåller. I det flesta fall innehåller primärslam en större mängd partiklar och mindre vatten vilket innebär att TS-halten är högre och därmed ökar viskositeten och slammets pumpbarhet förändras. 5.5 ph-värde Eftersom att alla slamprov hade ett ph-värde runt sju, oavsett temperatur och TShalt anses ph-värdet inte vara något som påverkas. Detta gäller dock så länge som slammet är neutralt. Observera att det fortfarande är okänt hur pumpningen påverkas när slammet har sura eller basiska värden. 5.6 Beteende och skjuvhastighet Slam är en icke-newtonsk vätska med ett flödesindex n < 1 och påverkas av hastighetsförändringar. Slutsatsen är därför att slammets beteende och skjuvhastighet är viktiga att ta hänsyn till vid pumpning av slam. 5.7 TS-halt Lägre TS-halt innebär lägre viskositet och lägre viskositet innebär mindre belastning på rör- och pumpsystem [2]. 5.8 TS-halt och Temperatur Blandslam med en TS-halt på två procent hade en viskositet på tre Pa*s vid temperaturen tio grader. Blandslam med TS-halt på sju procent hade en viskositet på 31 Pa*s vid temperaturen 40 C. Detta exempel visar att TS-halten har en betydligt större inverkan på viskositeten än vad temperaturen har. Till en viss del kan en förhöjd TS-halt kompenseras med att värma slammet till en högre temperatur men vid höga TS-halter som exempelvis sju procent kommer viskositeten oavsett vara väldigt hög. 5.9 Polymer Det hittades ingen tidigare forskning om att slammet skulle bete sig annorlunda när det tillsattes med polymer. Däremot upplevdes det under viskositetsanalyserna att slammet var mer glatt och ojämnt i resultaten när det innehöll polymer. Därför tros ett mer turbulent flöde stabilisera och jämna ut slammets innehåll eftersom att det blandas om. Observera att ett för hårt turbulent flöde kan slå sönder slamflockarna istället. 27

34 6 Slutsats Slutsatsen är att viskositeten minskar då temperaturen ökar och att viskositeten ökar då TS-halten ökar. Detta innebär att trots en hög TS-halt kan en högre temperatur minska den höga viskositeten. Slutsatsen är även att viskositeten ökar med minskad skjuvhastighet och att slam med polymer upplevs mer varierande i viskositeten eftersom att slamflockarna kan komma i perioder. Detta gör även att ett turbulentflöde som blandar om slammet kan vara bra tills det blir för turbulent då slamflockarna istället slås sönder. 28

35 Viskositet (Pas) 7 Förslag till vidare forskning 7.1 Ett optimalt flöde att pumpa slam med hög TS När flödeshastigheten ökar minskar viskositeten, för exempel se figur 16. Anledningen till att flödet inte ska vara för lågt är att slammet kan börja skikta och dela upp sig. Detta bidrar till att viskositeten kan vara högre på vissa nivåer i rören och lägre på andra. Ett sådant kan teoretiskt sätt bli okontrollerbart och bidra till problem. 100 Blandslam TS-halt 7% Hastighet (rpm) Figur 24 Blandslam TS-halt 7% Ett förslag till vidare forskning är därför att ta reda på vilket flöde som är det mest optimala. Enligt teori och analysresultat minskar viskositeten då hastigheten ökar men till en viss gräns. Då slammet är i ett laminärt flöde minskar viskositeten med hastighetsökning men när hastigheten övergår till ett för turbulent flöde kan det bidra till att viskositeten istället ökar och slamflockarna slås sönder [12], [13]. Om det optimala flödet är känt kan möjligtvis andra faktorer minska sina säkerhetsmarginaler och därmed spara energi, jobb och igensättningsproblem i verksamheten. 7.2 Viskositetsgivare i rötkammaromröraren En ytterligare teori är att installera en viskositetsgivare i rötkammaromröraren. Metoden för att beräkna viskositet i en rotationsviskometer kan appliceras på en rötkammare. I en rötkammare finns redan en blandare, samt cylinderformade väggar. Det kommer att uppstå en skjuvspänning mellan slammet och blandaren på samma sätt som skjuvspänningen uppstår mellan rotationspendeln och slammet. Detta är en teori som kan vara värd att prövas på slam med hög TS-halt då viskositeten är kritisk för pump-och rörsystemen. Metoden blir även i realtid som inte analyserna i labbet blir. 29

36 7.3 Hur ska slammet hålla värmen vid transport i längre rörsträckor? En av slutsatserna är att slammet måste förvärmas för att det ska kunna pumpas i längre sträckor utan att skapa igensättningsproblem. Ett förslag till vidare forskning är hur slammet på det mest effektiva sättet kan bibehålla den temperatur som det förvärms till. Troligen används det idag isolering för att hålla en godtycklig temperatur, det som är intressant att veta är vilket alternativ som ska användas när och vilket alternativt som är mest kostnadseffektivt. 7.4 Hur mycket påverkar polymer framkomligheten av slammet i rörsystemen? Polymer bidrar till att slammet inte slås sönder under rörtransporten [13], [12] och därför kan följande frågeställning vara intressant: sjunker viskositeten med hjälp av polymer i en hög TS-halt?. Frågeställningen är intressant eftersom att det kan bidra till att rören inte behöver vara konstruerade för att klara av högt tryck när de inte kommer belastas med det och kanske kan TS-halten då höjas ytterligare? Om polymeren skulle bidra till mindre belastning i rören skulle parametrar som slammets temperatur inte vara lika hög genom hela rörtransporten i onödan. Detta skulle spara energi, material och därmed pengar. 30

37 Referenser 8 Referenser [1] Stockholm Stad, [Online]. Available: [Använd ]. [2] E. C. Dahlberg, Sweco AB, [3] Wikipedia, [Online]. Available: [Använd Augusti 2017]. [4] M. Fahlgren, R. Gabryjonczyk, A. Lindberg, J. Pedersen och L. Uby, Handbook of Sludge Pumping, Sundbyberg: ITT Water & Wastewater AB, [5] O. Santos, Viscosity test of several sludge samples from Sweco Environment AB, Alfa Laval Lund AB, Lund, [6] Å. Jarvis och A. Schnürer, Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, Svenskt gastekniskt center AB, Malmö, Juni [7] Syvab, [Online]. Available: [Använd 07 November 2017]. [8] Specifikation för trumförtjockaren Siljan RotoMaster SF 17, Siljan Allards AB, [9] S. Andersson, Stockholm Vatten och Avfall, Stockholm, [10] C. Wahlberg och N. Paxéus, Miljöpåverkan av polyelektrolyter från användning vid reningsverk, Svenskt Vatten AB, Stockholm, [11] C. Baresel, M. Lüdtke, E. Levlin, U. Fortkamp och Ö. Ekengren, Slamavvattning i kommunala reningsverk, IVL Svenska Miljöinsitutet, Stockholm, [12] A.-M. Halldin, Avloppsteknik 2 Reningsprocessen, Svenskt Vatten AB, Mars [13] K. Fu, D. W. Pack, A. M. Klibanov och R. Langer, Visual Evidence of Acidic Environment Within Degrading Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) Microspheres, Pharmaceutical Research, vol. 17, nr 1, pp , [14] F. A. Viscosity, [Online]. Available: [Använd 22 Oktober 2017]. [15] O. Sawalha, Capillary Suction Time (CST) Test: Developments in testing methodology and reliability of results, The University of Edinburgh, Edinburgh, [16] V. Ugaz, Regissör, Non-Newtonian Fluids, part 3 - Lecture Chemical Engineering Fluid Mechanics (YouTube). [Film] [17] Drilling formulas, [Online]. Available: [Använd 14 oktober 2017]. 31

38 Referenser [18] IVL Svenska Miljöinstitutet AB, [Online]. Available: [Använd 11 November 2017]. [19] S. Andersson och A. Carlsson, Processbeskrivning Slampilot, Stockholm Vatten, [20] P. Svensson, Kvalitativ och kvantitativ undersökningsmetodik, Göteborg: Chalmers, [21] J. Nordin, E. Olofsson och J. Gustafsson, Laboration Reologi, Umeå, [22] S. Vatten, Avfallsplan för Stockholm , Stockholm Vatten. [23] L. Bid Servicellc, Regissör, Brookfield RVT Viscometer # [Film]. Video Demo\Product Inspection View, [24] Labteamet, [Online]. Available: [25] S. V. o. Avfall, PDF m signaltaggar, [26] RI.se, [Online]. Available: [Använd Augusti 2017]. [27] ProMinent, ProMinent, [Online]. Available: [Använd 24 Augusti 2017]. [28] Fundamentals, [Online]. Available: [Använd 29 Augusti 2017]. [29] H. Olsson, Utvärdering av viskositet och omrörningsmetoder vid gårdsbiogasanläggningar, Hushållningssällskapens Förbund, [30] M. Mönch-Tegeder, A. Lemmer, J. Hinrichs och H. Oechsner, Development of an inline process viscometer for the full-scale biogas process, Elsevier Ltd, Hohenheim, [31] K. T. Trinh, A general correlation for turbulent friction factors in non-newtonian fluids, Institute of Food Nutrition and Human Health, Massey University, [32] PCE, [Online]. Available: [Använd 1 September 2017]. [33] Grindex, [Online]. Available: [Använd 1 September 2017]. [34] Stockholm Vatten och Avfall, [Online]. Available: [Använd 13 September 2017]. 32

39 Referenser [35] Naturvärdsverket, Naturvärdsverket, 19 September [Online]. Available: [Använd 30 September 2017]. [36] K. Starberg, B. Karlsson, J.-E. Larsson, P. Moraeus och A. Lindberg, Problem och lösningar vid processoptimering av rötkammardriften vid avloppsreningsverk, Svenskt Vatten AB, Stockholm, [37] Huber Technology, [Online]. Available: [Använd 30 September 2017]. [38] J. Danielsson, Ny slamhantering vid Helunda reningsverk, Uppsala universitet, Gävle, Mars [39] T. krigsman, B. Nilsson och E. Wahlström, Modeller av polymer - syntetiska och naturliga, Kemiskafferiet, [40] S. Åberg, [Online]. Available: [Använd 14 Oktober 2017]. [41] [Online]. Available: [Använd 22 Oktober 2017]. [42] Livsmedelsverket, 29 Augusti [Online]. Available: [Använd 25 Oktober 2017]. [43] L. Holmquist, Tekniska Verken, 11 Februari [Online]. Available: [Använd 07 November 2017]. [44] B. D. VISCOMETER, [Online]. Available: /media/ametekbrookfield/manuals/obsolete%20manuals/dial%20m p700.pdf?la=en. [Använd 14 November 2017]. [45] Wikipedia, [Online]. Available: [Använd 27 Januari 2018]. 33